高温后大理岩各向异性响应特征研究

梁 鹏，张艳博，田宝柱，姚旭龙，孙 林

(1. 华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063009；2. 河北省矿业开发与安全技术重点实验室，河北 唐山 063009)

高温后大理岩各向异性响应特征研究

梁 鹏1,2，张艳博1,2，田宝柱1,2，姚旭龙1,2，孙 林1,2

(1. 华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063009；2. 河北省矿业开发与安全技术重点实验室，河北 唐山 063009)

通过对含层理大理岩开展经历不同温度后的纵波波速测试试验，分析高温作用后大理岩纵波波速的变化规律，在此基础上探讨各向异性指数(平行与垂直层理方向波速比值)的变化趋势，研究温度对大理岩各向异性的影响规律。研究结果表明：经历高温后大理岩纵波波速下降，而且随经历温度的升高，大理岩纵波波速持续降低；大理岩纵波波速存在层理效应，主要表现为平行层理方向的波速大于垂直层理方向波速，各向异性指数为1.11～1.19；在30～200℃范围内，大理岩各向异性指数随温度呈现出两边低中间高的“倒U”形变化规律。研究成果在一定程度上反映了经历高温后岩石各向异性的变化，为预测和评估高温工程围岩的长期稳定性和安全性提供理论基础。

高温；大理岩；各向异性；纵波波速

近年来，由于浅部资源的枯竭，许多矿山陆续转为深井开采，随着开采深度的增加，地温也不断升高，特别是在上千米的深部采场，岩层温度将达到摄氏几十度甚至上百度。据统计，目前国内外已有上百座矿山开采深度达到1000m以下，在数千米的深井中，温度高达60～70℃，这种高温环境下，岩石表现出与浅部截然不同的力学特性[1-2]。此外，地下岩石温度是影响岩石力学特性的重要因素之一，处理高温环境下或高温后的岩石工程问题是岩石力学的新课题。

弹性波速测试法在岩体物理力学特性测定、施工前后工程岩体的评价等方面都取得了良好的效果[3]。在岩石工程中，纵波波速能够表征岩石的力学性质，波速的高低及变化过程被看成是岩石完整性及其内部物理力学性质变化的反映。关于温度对岩石纵波波速的影响，学者们也开展了大量的研究。早期研究中，Somerton[4-5]发现露头砂岩在常压下经过800℃高温处理后，波速下降50%。Brann Johnson等[6]研究发现Sioux石英和Westely花岗岩在二者热开裂阈值温度和相变温度之间，二者纵波波速分别下降了40%和80%。夏小和等[7]对100～800℃温度的大理岩进行超声波传播特性的实验研究，发现岩样经历高温作用后，波速会显著下降。杜守继等[8]分析了花岗岩经历不同高温后的纵波波速，测试结果表明，经历高温后花岗岩的纵波波速有不同程度地减少。闫治国等[9]对经受不同高温后熔结凝灰岩、花岗岩及流纹状凝灰角砾岩的波动特性进行了研究，结果表明，经历高温后3种岩石的纵波波速均有不同程度地降低。苏承东等[10]研究高孔隙度粗砂岩经历100～900℃高温后波速随温度的变化规律，实验发现粗砂岩温度100℃时，波速变化不明显，超过100℃，波速随温度大致成线性降低。

实际工程应用中，可以利用弹性波速确定岩体力学参数，评价工程地质条件，而在上述研究中一般认为岩体为均质体，忽视了弹性波在岩体中传播特性的各向异性特征，导致岩体力学参数和工程地质评价与实际工程存在误差。因此，探究弹性波波速的各向异性，以及温度对波速各向异性的影响显得尤为重要。

基于此，本文以含层理大理岩为主要研究对象，开展大理岩经历不同温度后的纵波波速测试实验，研究高温后大理岩的波速变化特性。在此基础上，探讨纵波波速的各向异性特征，以及温度对纵波波速各向异性的影响规律。以期从波速的角度来丰富对岩石各向异性特征的认识，为预测和评估高温工程围岩的长期稳定性和安全性，为火灾后岩体工程结构的损伤评估及加固提供科学依据。

1 试验过程

1.1 试样的选取与制备

选取山东莱州地区典型大理岩为研究对象，考虑其各向异性的特点，在实验室制备平行层理岩样。所有试件均取自同一岩块，将岩块制成50mm×50mm×100mm的标准长方体试样，典型岩样照片如图1所示。

图1 典型岩样照片

1.2 试验设备

试验加温设备采用上海一恒科技生产的BPG-9140A液晶微电脑控制精密鼓风干燥箱。箱内最高温度可达250℃，温度分辨率0.1℃，温度均匀度小于8℃。该设备可以实现对箱内温度的自动测量、程序设定、指示及精确控制。

利用声发射监测系统的波速测试功能，可以对岩石进行波速测试[11-12]，试验采用设备为美国物理声学公司PAC生产的PCI-2型多通道声发射监测仪。声发射仪测速原理：通过在试样表面安放2个传感器，一端发射脉冲信号，另一端接收信号，由声发射测试系统记录时差Δt，并利用已有的试件长度(高度)，即可计算试件的纵波波速。

1.3 试验方法

本次试验主要研究在温度不断变化的条件下，岩样纵波波速的变化特性。试验方案依据目前人们对地壳分层和地壳温度环境条件的认识来设计。按照表1[13-14]，以地震多发人类工程活动和资源开发能够涉及的中上地壳温度环境条件为参考，设计试验方案。为了比较完整地研究温度与波速的相关性，选取30个岩样并分成6组，每组5个岩样，开展大理岩经历30，50，75，100，150和200℃后的纵波波速测试试验。

表1 地壳不同深度温度和压力水平

首先对每一组试件均以4℃/min的升温速度升到设定温度后，再恒温4h，保证试件内外温度达到一致，然后在干燥箱内冷却到常温，制成经历不同温度后的大理岩试样。随后采用声发射仪开展大理岩纵波波速测试试验，声发射传感器为R6型谐振式高灵敏度传感器，其工作频率为35～100kHz，传感器与试样之间涂上凡士林，增强二者耦合性，减少信号的衰减。为了探讨纵波波速的各向异性，本次实验选用4个声发射传感器，均匀对称分布在试样4个面上，将各个传感器依次作为脉冲波发射端，其余传感器作为接收端，根据传播时差和传播距离即可算出各个方向上的纵波波速，传感器布置及不同方向上波速的传播路径见图2。

图2 波速测试传感器布置

2 经历不同温度后大理岩纵波波速变化特征

本文主要从总体平均波速，平行于层理方向波速和垂直于层理方向波速3个方面，探讨温度对大理岩纵波波速的影响。总体平均波速v总为任意2个传感器之间测得所有波速的平均值。平行层理波速vbp为试样两端沿着层理方向上2个传感器所测得波速；垂直层理波速vbv为试样垂直于层理方向上2个传感器所测得波速。根据上述波速计算方法，探讨温度对大理岩纵波波速的影响规律。

2.1 总体平均波速变化特征

大理岩总体波速随温度变化曲线如图3所示。

图3 总体平均波速与温度的关系

从图3中可以看出，随着经历温度的升高，大理岩总体平均波速逐渐降低，整体变化趋势可以分为3个阶段：

(1)温度为30℃时，大理岩纵波总体平均波速为5436.848m/s，温度达到50℃时，波速降低幅度为3.7%。

(2)温度超过50℃，经过75℃，达到100℃，直线斜率绝对值逐渐增加，纵波波速迅速下降，总体平均纵波波速为3955.807m/s，以30℃为基准，降低的幅度达到27%。

(3)温度超过100℃，直到200℃，纵波波速持续降低，同样以30℃为基准，降低幅度达到32%，但直线斜率绝对值变小，纵波波速呈现出缓慢降低的趋势。

上述情况表明，温度对花岗岩纵波波速具有非常明显的影响，表现为经历高温后纵波波速下降，而且随经历温度的升高，纵波波速呈持续降低趋势。

2.2 平行和垂直层理方向波速变化特征

经过不同温度后大理岩平行、垂直于层理方向纵波波速随温度的变化情况见图4。深入分析图4中数据可以发现，大理岩纵波平行、垂直于层理方向波速以及二者和温度的关系存在着明显的差异性。

图4 平行、垂直于层理方向波速与温度的关系

从变化趋势上来看，平行和垂直于层理方向波速均随着经历温度的升高而降低，呈现出和总体平均波速近似相同的变化趋势。整个过程可以分为3个阶段：

(1)温度低于50℃时，两个方向上的波速缓慢降低。

(2)从50℃到100℃，两个方向上的波速急速下降。

(3)从100℃到200℃，两个方向上的波速又呈现出缓慢降低的趋势。

通过分析可以发现，随着大理岩经历温度的增加，大理岩纵波波速呈现非线性变化趋势，总体平均波速、平行层理和垂直层理的波速变化规律基本一致，表现为经历高温后纵波波速下降，而且随经历温度的升高，纵波波速呈持续降低的趋势。

高温后大理岩纵波波速下降的原因概括如下[15]：一方面高温处理后，大理岩内部失水，失水导致岩石内部孔隙率增大，孔隙率越大，对波传播的阻碍作用越大，波速就越小；另一方面岩石往往不是完全弹性的，当波在岩石中传播时，就会有一部分机械能转化为热能，在这种转变过程中的各种机制统称为内摩擦[16]。

大理岩经历高温后，由于各种矿物成分受热后产生不同程度地膨胀，导致矿物颗粒边界裂纹出现、发展和贯通，原生裂缝的扩展和产生的新裂缝使得声波在岩石中传播时传播路径错综复杂，声波会产生多次反射、折射作用。波传播过程会产生内摩擦效应，耗散部分能量，波的传播能力减弱，导致波速降低。

从波速数值来看，经历不同温度后，大理岩平行于层理方向波速值均大于垂直于层理方向波速，即纵波波速具有明显的层理特性。上述情况表明，层理对于大理岩的纵波波速有较大影响，由于层理的存在，使大理岩波速各向异性更明显，沿着层理方向波速较大。利用上述规律，可以综合利用声波资料进行岩体力学性能评价，对层理角度及发展方向进行预测。从2条曲线斜率来看，在低于100℃时，平行和垂直于层理方向波速变化曲线的斜率绝对值近似相同；100℃到200℃时，两个方向上波速变化曲线明显不同，平行于层理方向波速变化曲线的斜率绝对值较大，表明由于层理的存在和传播路径的差异，温度对两个方向上的波速影响程度和结果不尽相同，即温度对波速的各向异性有一定影响。

3 温度对大理岩波速各向异性的影响

为了定量评价温度对大理岩各向异性的影响，定义各向异性指数σ，σ为平行于层理方向波速与垂直于层理方向波速的比值，σ值越大表明大理岩各向异性越明显，反之，则越弱[17]。计算公式如下：

(1)

式中，σ为各向异性指数；vbp为平行于层理方向波速；vbv为垂直层理方向波速。

图5为大理岩各向异性指数σ随温度变化曲线。从图中可以看出，经历不同温度后大理岩各向异性指数在1.11～1.19之间，其值均大于1，说明平行于层理方向波速大于垂直于层理方向，这和第2.2小节部分内容分析一致。由于波速各向异性探讨的是平行和垂直层理方向波速的相对大小，所以波速各向异性的发育程度就可由各向异性指数σ相对于1的偏离程度来加以体现。从图中可以看出，随着经历温度的增加，各向异性指数曲线近似呈两边低中间高的“倒U”形变化规律。这表明随着温度的增加，大理岩纵波波速各向异性指数σ先呈上升趋势，后出现转折性变化，呈逐渐降低趋势，意味着随着温度的升高，大理岩各向异性先增加后减小。波速各向异性指数与温度关系曲线的拟合公式为σ=8×10-10T4-3×10-7T3+3×10-5T2+0.0002T+1.1093，R2=0.99，相关系数较高。

图5 各向异性指数σ和温度T的关系

文献[18]指出，由于岩石中矿物颗粒大小、矿物热膨胀率和矿物热弹性性质存在差异，温度作用后导致矿物颗粒的热膨胀性不同，进而产生颗粒间或颗粒内部的拉或压应力及结构热应力。对于大理岩而言，在较低的温度区间内，矿物颗粒受温度作用后可能产生微膨胀，微膨胀产生的结构热应力在一定程度上能够促使大理岩内部微小裂隙闭合，裂隙间距变小，大理岩密实程度提高，其力学性质得到强化，层理发挥的作用得到增强。层理作用增强，致使对两个方向上波速的差异性增强，表现为纵波波速在平行和垂直于层理方向上各向异性越明显。当温度急速升高，由于矿物颗粒热膨胀特性存在差异，致使热膨胀效应不均衡，随着温度的进一步升高，这种不均衡的热膨胀效应加剧，产生的结构热应力达到或超过大理岩的极限强度，在热应力作用下大理岩内可能出现更多的微裂纹，同时微裂纹也可能闭合形成大裂纹，宏观上就表现为大理岩力学性质的劣化。在温度较高阶段，温度对大理岩的力学性能具有减弱作用，层理产生的作用随之减弱，这使两个方向上波速差异程度减小，波速的层理效应随之降低。

4 结 论

(1)大理岩总体平均波速、平行层理和垂直层理方向的波速变化规律基本一致，表现为经历高温后纵波波速下降，随经历温度的升高，纵波波速呈持续降低的趋势。

(2)大理岩纵波波速存在层理效应，层理对平行于层理方向波速影响较小，对垂直于层理方向波速影响较大。

(3)大理岩各向异性特征主要表现为：在所有温度水平，平行层理方向的波速均大于垂直层理方向，约为垂直层理方向波速的1.11～1.19倍。

(4)大理岩各向异性指数随温度呈现出两边低中间高的“倒U”形变化规律，意味着随着温度的升高，大理岩各向异性增加，温度继续增加，大理岩各向异性会减小。

基于地震多发、人类工程活动和资源开发能够涉及的中上地壳温度环境条件，发现随温度升高，大理岩各向异性程度增加，但超过某一温度值，大理岩各向异性程度降低，实验结果可以为分析人类工程活动中不同温度环境条件下大理岩各向异性问题提供一定的参考。

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[责任编辑：王兴库]

Anisotropy Response Characters of Marble After High Temperature

LIANG Peng1，2，ZHANG Yan-bo1，2，TIAN Bao-zhu1，2，YAO Xu-long1，2，SUN Lin1，2

(1.College of Mining Engineering,North China University of Science & Technology,Tangshan 063009,China;2.Hebei Province Key Laboratory of Mine Development and Safety Technology,Tangshan 063009,China)

Longitudinal wave velocity test after different temperature of marble with bedding were done，the transformation law of marble longitudinal wave velocity variation after high temperature，anisotropy index( wave velocity specific value in parallel and vertical direction of bedding) were discussed based on it.The influence law that temperature to marble were studied.The results showed that marble longitudinal wave velocity decreased after high temperature，and with temperature increased，marble longitudinal wave velocity decreased continue，bedding effect appeared for marble longitudinal wave velocity，the wave velocity along parallel direction was larger than along vertical direction，anisotropy index was 1.11-1.29，during temperature scope 30～200℃，marble anisotropy index appeared ‘reverse U’ change law with temperature changed.The results reflected rock anisotropy variation after high temperature in some degree，it provided theory base for surrounding rock stability and safety of high temperature project.

high temperature；marble；anisotropy；longitudinal wave velocity

2016-08-16

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.02.004

国家自然科学基金项目(51374088，51574102)；河北省高等学校科学技术研究项目(QN2016124，QN2016125)；华北理工大学青年科学基金项目(Z201501，Z201315)

梁 鹏(1987-)，男，河南南阳人，助教，从事采矿工程与岩土工程方面的研究工作。

梁 鹏，张艳博，田宝柱，等.高温后大理岩各向异性响应特征研究[J].煤矿开采，2017，22(2)：15-18，4.

TD

A

1006-6225(2017)02-0016-04